大黑汀電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造實(shí)例

王塞北

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫(kù)管理處，河北 唐山064300）

1 引言

潘家口、大黑汀水庫(kù)是天津市、唐山市重要的水源地，承擔(dān)著津冀工農(nóng)業(yè)、城市生活、環(huán)境用水的重任。為津、唐兩地的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。大黑汀水利樞紐位于唐山市遷西縣灤河干流上，距上游潘家口水庫(kù)35km，是開(kāi)發(fā)灤河的大型骨干工程。攔河壩右岸建有渠首和河床2座電站，渠首電站裝有4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。河床電站裝有1臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組自投入運(yùn)行至今已有30多年，且電氣設(shè)備大都嚴(yán)重老化，操作不便，安全可靠性差，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。本次改造主要對(duì)水利機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)及電氣部分等進(jìn)行改造。

2 電站概況

2.1 機(jī)組參數(shù)

大黑汀渠首電站原裝有4臺(tái)ZZ560-LH-250型水輪發(fā)電機(jī)組，本次改造將2、4號(hào)水輪機(jī)改為軸流定槳式，更換水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承和主軸密封，同時(shí)改造其發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈，將絕緣等級(jí)由B級(jí)提高到F級(jí)，并提高發(fā)電機(jī)效率。改造后2、4號(hào)機(jī)組單機(jī)容量提高到了3500kW。

改造前機(jī)組參數(shù)（原銘牌）：

水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

改造后機(jī)組主要參數(shù)：

水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表3。

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表4。

2.2 水輪機(jī)改造前

2.2.1 存在問(wèn)題

表3 改造后水輪機(jī)主要參數(shù)

表4 改造后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

（1）機(jī)組效率低

在設(shè)計(jì)水位時(shí)，機(jī)組出力與剛投產(chǎn)的1985年相比，在相同水位和導(dǎo)葉開(kāi)度條件下，機(jī)組出力只能達(dá)到原出力的76%左右，說(shuō)明效率下降明顯。渠首電站水輪機(jī)效率遠(yuǎn)低于水利部《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備選用指導(dǎo)意見(jiàn)》文件中規(guī)定的水輪機(jī)效率大于等于91%的要求。

（2）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕破壞比較嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行30多年以來(lái)，轉(zhuǎn)輪已經(jīng)進(jìn)行多次修補(bǔ)。尤其是4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片破壞非常嚴(yán)重，受油器操作油管斷裂。

（3）水輪機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪體槳葉接力器操作時(shí)，活塞一側(cè)充滿(mǎn)2.5MPa液壓油，操作架腔內(nèi)也充滿(mǎn)約0.2MPa液壓油。轉(zhuǎn)輪體葉片密封采用“λ”型橡膠密封裝置，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平限制，結(jié)構(gòu)上存在著一定缺陷，轉(zhuǎn)輪體經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行就出現(xiàn)嚴(yán)重漏油現(xiàn)象，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)供水水質(zhì)產(chǎn)生污染，且增加了電站維護(hù)及運(yùn)行的成本。

（4）機(jī)組導(dǎo)葉間隙由于磨損變大，不能達(dá)到全封閉，導(dǎo)葉立面和端面的間隙較大，導(dǎo)葉軸徑磨損嚴(yán)重，造成密封面搭接不嚴(yán)，導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重。

（5）機(jī)組存在頂蓋上密封漏水量較大，特別是機(jī)組運(yùn)行在某些工況或負(fù)荷突變時(shí)，瞬間會(huì)造成水淹水導(dǎo)軸承。根據(jù)電站人員反映，在協(xié)聯(lián)運(yùn)行時(shí)，個(gè)別工況也出現(xiàn)密封漏水情況。

2.2.2 水頭情況

受上游潘家口水庫(kù)調(diào)節(jié)，大黑汀水利樞紐庫(kù)水位基本在131～133m之間運(yùn)行，一般維持在132.5m。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)引水渠尾水位一般在119～121m之間，水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍為11～13m，一般在11m以上，電站水輪機(jī)運(yùn)行水頭比較穩(wěn)定，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片基本在某一固定角度下長(zhǎng)期運(yùn)行，不需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片角度。所以，本次改造將2、4號(hào)水輪機(jī)改為軸流定槳式水輪機(jī)，在水頭變化不大，不需要調(diào)節(jié)流量時(shí)運(yùn)行。其額定水頭可以適當(dāng)提高，以利于水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且水輪機(jī)發(fā)出額定出力時(shí)所用額定流量可以減少，在相同的放水量時(shí)獲得更多的電能。當(dāng)上游水位為132.5m，2臺(tái)機(jī)運(yùn)行，供水流量為60～80m3/s時(shí)，下游水位約為119m，對(duì)應(yīng)的毛水頭約為13.5m，估算流道損失1.0m，所以，本次改造，水輪機(jī)額定水頭可以由11m提高到12.5m。當(dāng)水輪機(jī)額定水頭為12.5m，水輪機(jī)額定效率為91%時(shí)，水輪機(jī)額定流量約為33.5m3/s，機(jī)組單機(jī)容量可以由3200kW提高到3500kW。

2.3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)槳改定槳的運(yùn)行性能分析

按ZD560Z軸流定槳式水輪機(jī)模型特性曲線(xiàn)顯示，在一定槳葉角度下運(yùn)行范圍相對(duì)較小。根據(jù)大量裝有軸流定槳式水輪機(jī)電站的運(yùn)行情況看，水輪機(jī)做定槳運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)及并網(wǎng)過(guò)程會(huì)有一定的工況條件要求，否則可能造成機(jī)組在不穩(wěn)定工況下進(jìn)行啟動(dòng)及并網(wǎng)失敗。因此，針對(duì)大黑汀渠首電站水頭范圍等實(shí)際運(yùn)行工況以及水輪機(jī)特性參數(shù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)槳改定槳后的技術(shù)分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)情況來(lái)設(shè)計(jì)確定定槳角度，以確保改造后電站機(jī)組的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。主要措施：更換水輪機(jī)新型轉(zhuǎn)輪，而保持水輪機(jī)蝸殼等與水工部分相關(guān)的部件不動(dòng)，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，在盡量節(jié)約投資的情況下，實(shí)現(xiàn)電站增效擴(kuò)容的目標(biāo)。

2.4 轉(zhuǎn)輪改造說(shuō)明

（1）轉(zhuǎn)輪訂做：經(jīng)公開(kāi)招標(biāo)確定供貨廠(chǎng)家，訂購(gòu)軸流定槳轉(zhuǎn)輪2個(gè)，轉(zhuǎn)輪葉片安放角按最優(yōu)調(diào)整（β=+5°），葉片翼型和曲率優(yōu)化，材質(zhì)改進(jìn)，確定交貨日期。

（2）作好記錄：將水輪機(jī)主軸裝車(chē)運(yùn)送浙江廠(chǎng)家加工處理，新轉(zhuǎn)輪與水輪機(jī)主軸重新鉆鉸銷(xiāo)釘孔并配銷(xiāo)釘，保證與新轉(zhuǎn)輪的配合。

（3）水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪試裝：返廠(chǎng)檢修的主軸及新訂購(gòu)的2臺(tái)定槳轉(zhuǎn)輪按合同日期到貨，到貨后，在檢修間放穩(wěn)，仔細(xì)清掃；測(cè)量水輪機(jī)主軸上下法蘭直徑、水導(dǎo)軸襯直徑、水導(dǎo)軸承瓦內(nèi)徑、連接螺釘孔及銷(xiāo)釘孔的配合。若配合不當(dāng)，則進(jìn)行處理。將水輪機(jī)主軸吊運(yùn)至轉(zhuǎn)輪體上試裝。若配合不當(dāng)，則進(jìn)行處理。新到轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)輪體與泄水錐為裝配好的部件，實(shí)際工作中未進(jìn)行拆解。

（4）連接水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪：按水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪拆解的相反順序進(jìn)行連接，其中不同點(diǎn)為無(wú)槳葉操作油管的連接。

（5）整體回裝。

3 轉(zhuǎn)輪改造后

3.1 穩(wěn)定性對(duì)比

從機(jī)組修前的振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)與機(jī)組修后振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)比較可以看出，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換后機(jī)組的振動(dòng)、擺度減小，機(jī)組在各主要工況點(diǎn)運(yùn)行是穩(wěn)定的，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)1年來(lái)的運(yùn)行檢驗(yàn)，證明機(jī)組運(yùn)行是穩(wěn)定可靠的。

3.2 效率及效益對(duì)比

機(jī)組修前水輪機(jī)的最高效率為76%，修后水輪機(jī)的效率η≥91%，可以看出，更換轉(zhuǎn)輪后水輪機(jī)效率明顯提高。機(jī)組改造后，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，機(jī)組噪音、震動(dòng)、各部溫升等均符合要求。與改造前相同運(yùn)行條件下，機(jī)組效率提高，發(fā)電量增加，耗水率降低。保證了機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 結(jié)論

我國(guó)農(nóng)村小水電資源豐富，但這些小水電站的特點(diǎn)是，裝機(jī)容量小、臺(tái)數(shù)多、設(shè)備老化、機(jī)組效率低、水能資源利用率低，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后安全生產(chǎn)隱患多。所以，對(duì)機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容改造是十分必要的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用新技術(shù)來(lái)改造舊設(shè)備，可以更好的發(fā)揮水電站的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。